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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Punktschweißzangen
und insbesondere auf ein servo-pneumatisches modulares Schweißzangensystem
mit einer frei programmierbaren Positions- und Drucksteuerung mit
einer geschlossenen Schleife bzw. mit Rückkopplung. Die vorliegende
Erfindung eignet sich gut für
Schweißanwendungen
bei einer Schnellmontagelinie insbesondere in der Automobilindustrie.
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Hintergrund der Erfindung
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Widerstands-
oder Punktschweißen
verbindet mittlere bzw. mittelstarke Bleche oder Strukturen durch Wärme, die
durch den Widerstand gegenüber
dem Fluß des
elektrischen Stroms erzeugt wird. Die zu verschweissenden Metallstrukturen
werden üblicherweise
mit stabförmigen
Elektroden zusammengeklemmt, wobei an entgegengesetzten Seiten Druck
angelegt wird. Ein zwischen den Elektroden hindurchtretender elektrischer
Strom trifft auf einen Widerstand, wenn er durch die Metallstrukturen
fließt,
wodurch Hitze erzeugt wird, die das Metall schmelzt und es zusammenschweißt.
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Herkömmliche
Punktschweißzangen
verwenden einen oder mehrere Pneumatikzylinder, um eine bewegbare
Elektrode auszufahren und einzuziehen und um die Klemmkraft an den
zu schwei ßenden
Materialien anzulegen. Der Pneumatikzylinder bewegt die Elektrodenschweißspitze
zu einer von mindestens drei bekannten Positionen. Diese Festanschlag-Positionen
enthalten eine völlig
eingezogene, eine völlig
ausgefahrene und ein Mittelpunkt-Position. Nach dem Schweißen mit
der Schweißspitze
in ihrer völlig
ausgefahrenen Position kehrt die Kolbenstange zu einer Mittelpunkt-Position
anstatt ihrer vollständig
eingezogenen Position zurück.
Dies verringert die Zykluszeit zwischen den Schweißungen.
Um diesen Auslegungsparameter zu erzielen, wird normalerweise ein
Dreipositions-Pneumatikzylinder mit einer festgelegten Mittelpunkt-Position
in der Punktschweißzange
verwendet.
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Üblicherweise
diktiert die spezielle Schweißanwendung
die Auslegung der Konfiguration der Schweißzange. Mit anderen Worten
werden Schweißzangen üblicherweise
speziell angefertigt, um der speziellen Schweißanwendung gerecht zu werden.
Einige Betrachtungen müssen
bei der speziellen Auslegung einer Schweißzange angesprochen werden.
Die Auslegungsparameter enthalten den Spalt zwischen den Elektroden-Schweißspitzen,
den Hub der beweglichen Elektrode, den Festpositionen der Elektroden-Schweißspitze und
die Zykluszeit. So wird je nach den Schweißanwendungen eine speziell
angefertigte Schweißzange
um einen ausgewählten
Dreipositions-Pneumatikzylinder ausgelegt. Somit können im
Umfeld einer Montagelinie verschiedene unterschiedliche Konfigurationen
von Schweißzangen
zu irgendeiner Zeit in Betrieb sein. Der offensichtliche Nachteil
speziell ausgelegter Schweißzangen
ist das vollständige
Fehlen der Standardisierung und Austauschbarkeit.
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Wenn
ein Schweißparameter
in einem herkömmlichen
Schweißzangensystem
verändert
wird, muß außerdem die
Schweißzange
gewöhnlicherweise
auseinandergebaut und für
den neuen Schweißparameter erneut
ausgelegt werden. Wenn man z. B. die Schweißspitzen-Mittelpunkt-Position ändern möchte, muß man den
bestehenden Zylinder durch einen neuen Pneumatikzylinder ersetzen.
Während
dieser Neuanpassung muß die
Schweißzange
aus der Montagelinie herausgenommen werden, was zu Produktions-Stillstandszeiten führt. Versuche
zur Vermeidung des Nachteils bestehen unter anderem darin, Schweißzangen
mit mehrfachen Pneumatikzylindern bereitzustellen. Allerdings ist
ein Nachteil von Mehrfachzylinder-Schweißzangen die Gewichtszunahme
und die Komplexität.
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Aus
der
EP 0 569 831 A2 ist
eine Schweißzange
mit einer externen Steuerungsvorrichtung und externen Ventilen bekannt,
die keine programmierbare Steuerungsvorrichtung aufweist. Dies führt zu einer
relativ unflexiblen und wenig kompakten Anordnung.
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Eine
aus der
EP 1 010 491
A2 bekannte Punktschweißzange weist zwar einen mittels
eines Proportionalfluss-Steuerventils
angesteuerten Pneumatikzylinder auf, jedoch sind keine Angaben für die spezielle
Art der Steuerung enthalten.
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Aus
der
US 5 478 982 A ist
es zwar bekannt, zur Erfassung einer Kolbenposition ein lineares
Potentiometer zu verwenden, jedoch bezieht sich der Gegenstand dieser
Druckschrift nicht auf eine Punktschweißzange, sondern auf eine Vorrichtung
zum Verschweißen
von elektrischen Drähten.
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Aus
der
DE 32 06 432 C2 ist
ein Schutzmantel zur Verhinderung des Anhaftens von Schweißspritzern auf
einer Kolbenstange eines Arbeitszylinders an Schweißvorrichtungen
bekannt, wobei der Pneumatikzylinder mit einem Schaberring ausgestattet
ist. Im Hinblick auf eine Steuerung einer Punktschweißzange ist
dieser Druckschrift nichts zu entnehmen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Schweißzangen-Konfiguration
mit einer standardmäßigen Auslegung
bereitzustellen, die ohne weiteres mit anderen Schweißzangen
ausgetauscht werden kann und die frei programmierbar ist, um eine
beliebige Schweißspitzen-Positionierung
und/oder einen beliebigen Druck zu erzeugen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine servo-pneumatische Punktschweißzange mit
den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der
Pneumatikzylinder enthält
einen internen Positionscodierer zum Erfassen einer Kolbenposition und Übertragen
der Kolbenposition-Information zu der Steuerungsvorrichtung, um
die Bewegung des Kolbens durch ein Proportional-Strömungssteuerungsventil
und einen Proportional-Druckregler
zu steuern. Vorzugsweise ist der interne Positionscodierer ein lineares
Potentiometer, das innerhalb der Kolbenstange des Pneumatikzylinders
eingepaßt
ist, um die Aussparung und Einziehung der Kolbenstange genau zu
bestimmen.
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Die
Schleifen-Positionssteuerung bzw. rückgekoppelte Positionssteuerung
ermöglicht
die Verwendung eines standardmäßigen Pneumatikzylinders
mit bekanntem Hub und bekannter Zylinderbohrung. Somit ist die Schweißzange für eine lösbare Anbringung
des Pneumatikzylinders und des Kanonenarms ausgelegt, wodurch der
Pneumatikzylinder und der Kanonenarm mit anderen Pneumatikzylindern
und Kanonenarmen ausgetauscht werden kann. Zusätzlich werden die Schweißzangen- Basismodulkomponenten
aus hochfestem maschinell bearbeitetem Aluminium gefertigt, um das
Gewicht zu verringern.
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Zum
Steuern der Positon einer Punktschweißzangen-Schweißspitze wird eine Sequenz aus
einer Vielzahl von Binärbit-Positionssequenzen,
die einer unterschiedlichen Schweißspitzen-Position entsprechen,
in einer Steuerungsvorrichtung eingegeben, welche die eingegebene
Sequenz mit der durch einen interenen Positionscodierer erfaßten tatsächlichen
Position der Schweißspitze
vergleicht. Auf der Grundlage des Vergleiches aktiviert die Steuerungsvorrichtung
ein Steuerungsventil eines Pneumatikzylinders, um die Schweißspitze
auszufahren oder einzuziehen. Vorzugsweise umfaßt die Bitsequenz vier binäre Bits,
die 16 mögliche Schweißspitzen-Orte
darstellen.
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Durch
Manipulieren der Bitsequenzen und in Abhängigkeit von den eingegebenen
Adressen der Steuerungsvorrichtung können andere Schweißparameter
wie z. B. Schweißdruck,
Ausgleichsdruck und Spitzendämpfung
gesteuert werden. So enthält
z. B. ein Verfahren zum Steuern des Schweißdruckes an der Schweißspitze
Schritte zum Eingeben einer von mehreren Binärbit-Drucksequenzen in eine
Steuerungsvorrichtung, wobei jede Drucksequenz einem unterschiedlichen
Druck entspricht, der an die Schweißspitze angelegt wird. Die
Drucksequenz wird mit dem durch einen Druckregler erfaßten tatsächlichen
Schweißspitzen-Druck
verglichen, und auf der Grundlage des Vergleichs betätigt die
Steuerungsvorrichtung das Steuerungsventil des Pneumatikzylinders,
um den an der Schweißspitze
angelegten Druck zu erhöhen
oder zu verringern. Auf ähnliche
Weise können
mehrfache Schweißspitzen-Positionen
in die Steuerungsvorrichtung programmiert werden, um der Schweißzange das
Merkmal der Spitzendämpfung
zu verleihen.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende ausführliche
Beschreibung verwiesen, die anhand der begleitenden Zeichnung zu
lesen ist und deren Schutzbereich in den beigefügten Ansprüchen bestimmt wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine Perspektivansicht der erfindungsgemäßen servo-pneumatischen Schweißzange von oben.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des Pneumatikzylinders entlang der Linie
2-2 von 1.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.
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In 1 ist
eine servo-pneumatische modulare Schweißzange 10 gezeigt,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung gefertigt ist. Die Schweißzange 10 enthält im allgemeinen
ein Schweißzangen-Basismodul 12, einen
J-förmigen
Kanonenarm 14, einen Pneumatikzylinder 16 und
eine Unter-Steuerungsvorrichtung 88.
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Das
Schweißzangen-Basismodul 12 ist
so aufgebaut, daß es
als Plattform für
eine Vielzahl von Bauarten verwendet werden kann. Mit anderen Worten
bleibt das Basismodul 12 unabhängig von der Art des verwendeten
Pneumatikzylinders oder des verwendeten Kanonenarms dasselbe. Durch
Austauschen stationärer Kanonenarme
kann eine große
Vielzahl von Schweißbedingungen
erfüllt
werden, während
die Gesamtzahl der Schweißzangen-Komponenten
minimal gehalten wird. Eine Verringerung der Anzahl der Schweißzangen-Komponenten
kommt dem Endkunden zugute, indem sowohl die Anforderungen an Ersatz-Schweißzangen
und die Ersatzteil-Lagerhaltung verringert werden. Die Wartungskosten
und die Ausbildung werden aufgrund der Gemeinsamkeit des Basismoduls
ebenfalls minimiert.
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Das
Basismodul 12 umfaßt
eine Basis 18, einen Schweißtransformator 19,
eine Ausgleichsanordnung 20, einen Schweißzangen-Basisflansch 21 sowie
Montageklammern 22. Die Basis 18, der Basisflansch 21 und die
Montageklammern 22 werden aus hochfestem Aluminium mit
Flugzeugqualität
maschinell gefertigt, wodurch das Gesamtgewicht des Basismoduls 12 veringert
wird, jedoch die notwendige Festigkeit erzeugt wird. Die Montageklammern 22 sind
an zwei Seiten und am Boden der Basis 18 vorgesehen, um
die Anbringung der Schweißzange 10 an
einem Roboterarm oder einer. anderen Montagelinien-Schweißmaschine
in irgendeiner von drei Konfigurationen zu ermöglichen. Alle Teile werden
aus Strangmaterial bzw. Barrenmaterial gefertigt, wodurch das Gewicht
verringert und die Notwendigkeit für Gießmuster beseitigt wird, wodurch
die Herstellungszeit verringert wird.
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Der
Transformator 19, die Ausgleichsanordnung 20 und
die Montageklammern 22 sind mit der Basis 18 durch
Bolzen verbunden. Der Schweißtransformator 19 enthält elektrische
Verbindungsstücke
(nicht gezeigt) zur Verbindung mit einer externen Stromquelle und
erzeugt den notwendigen Strom zu der Schweißzange. Die offene Gestaltung
des Basismoduls 12 ermöglicht
eine Vielzahl von Schweißtransformatoren,
wie z. B. Wechselstrom- und Gleichstrom-US-Standards wie auch ISO-Standard-Bauarten.
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Die
Ausgleichsanordnung 20 ist ein herkömmlicher Pneumatikzylinder
mit einer Kolbenstange 12, die sich hiervon nach außen erstreckt.
An dem Ende der Kolbenstange 23 ist der Schweißzangen-Basisflansch 21 befestigt.
Somit bewegt sich der Basisflansch 21 zusammen mit der
Kolbenstange 23 der Ausgleichsanordnung 20. Die
Ausgleichsanordnung 20 enthält ein Proportional-Steuerungsventil 24 und
einen Druckregler 25 zum Steuern und Überwachen des Luftdrucks, der
durch Pneumatikzylinder zugeführt
wird, zum Ausfahren und Einziehen der Ausgleichs-Kolbenstange 23.
Der Betrieb der Ausgleichsanordnung 20 wird weiter unten ausführlich beschrieben.
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Ebenfalls
mit dem Basismodul 12 verbunden sind eine Transformator-Busstange 40,
eine bewegliche Busstange 42, Elektrodenadapter 44,
ein stationärer
Nebenschluß 46 und
ein beweglicher Nebenschluß 48 zum
Erzeugen elektrischer Verbindungen zu dem Schweißtransformator 19.
Die bewegliche Busstange 42 und der bewegliche Nebenschluß 48 sind
mit einem beweglichen Schaftabschnitt 28 des Pneumatikzylinders 16 durch
einen Arm 50 verbunden, der einen Führungsschaft 52 enthält, der
in einem in dem Basisflansch 21 befestigten Lager 44 mit
einem Drehzapfen gelagert ist. Der Führungsschaft 52 und
das Lager 54 helfen, um eine richtige Ausrichtung des beweglichen
Schaftabschnitts 28 des Zylinderkolbens während der
Bewegung zu gewährleisten.
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An
dem Basismodul 12 nicht gezeigt sind herkömmliche
Wasserleitungsanschlüsse
und dazu gehörende
innere Wasserdurchtritte und Verteiler zum Kühlen der Komponenten der Schweißzange.
Jede beliebige Kühlsystem-Auslegung
kann mit der Schweißzange
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Derartige Systeme sind
im Stand der Technik weitgehend bekannt und müssen nicht ausführlich besprochen
werden.
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Der
Basisflansch 21 enthält
außerdem
einen Kanonenarm-Aufnahmehohlraum 32 für die Befestigungs des
Kanonenarms 14. Der Kanonenarm 14 ist ebenfalls
aus einem hochfesten Aluminium in Flugzeugqualität maschinell gefertigt, um
das Gewicht zu verringern. Der Kanonenarm 14 ist im allgemeinen
J-förmig,
wobei ein Ende an dem Basisflansch 21 befestigt ist und
ein stationärer
Schaft 34 mit einer Schweißspitze 36 an einem entgegengesetzten
Ende davon befestigt ist. Der Kanonenarm 14 ist an dem
Basisflansch 21 durch Bolzen 33 derart befestigt,
daß der
stationäre
Schaftabschnitt 34 des Kanonenarms mit dem beweglichen
Schaftabschnitt 28 des Zylinderkolbens axial ausgerichtet
ist und ein Spalt zwischen den gegenüberliegenden Schweißspitzen der
Schäfte
gebildet wird. Wenn die Ausgleichsanordnung 20 aktiviert
wird, bewegt sich daher der stationäre Schaftabschnitt 34 des
Kanonenarms 14 zusammen mit der Ausgleichs-Kolbenstange 23 zu
dem beweglichen Schaftabschnitt des Zylinderkolbens hin oder von
ihm weg. Durch Austauschen unterschiedlicher Kanonenarme kann der
Spalt zwischen den Schweißspitzen
eingestellt werden. Der Kanonenarm 14 und der Pneumatikzylinder 16 sind
nun wiederum mit dem Basisflansch 21 lösbar verbunden, um eine vollständige Austauschbarkeit
zu erzeugen.
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Der
Pneumatikzylinder 16 ist mit dem Basisflansch 21 durch
Bolzen 26 verbunden. Der Basisflansch 21 ist mit
einer Bohrung 27 gebildet, durch die sich die Zylinder-Kolbenstange
erstreckt. Mit der Zylinder-Kolbenstange ist ein beweglicher Schaftabschnitt 28 verbunden,
der eine Schweißspitze 30 an
seinem äußeren Ende
hat.
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Ein
wichtiger Nutzen der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Verwendung
eines Mehrfachpositions-Pneumatikzylinders
vom Standard ISO 6431 ermöglicht
wird. Ein geeigneter Pneumatikzylinder zur Verwendung mit der Schweißzange der
vorliegenden Erfindung ist das Modell Nr. DNC 125–200 Markenbezeichnung
das von der Festo-Corporation in Hauppauge, New York, gefertig wird.
Wie oben besprochen, werden herkömmliche
Schweißzangen
gewöhnlicherweise
unter Verwendung eines Drei-Positions-Zylinders speziell angefertigt.
Wenn eine neue Anwendung erforderlich ist, muß die Schweißzange auseinandergebaut
und für
die neue Anwendung erneut konfiguriert werden. Es gibt somit praktisch
keine Austauschbarkeit mit vorhandenen Schweißzangen. Durch Standardisieren
des Pneumatikzylinders kann der Endnutzer verschiedene identische
Schweißzangen
bereithalten, die ohne weiteres ausgetauscht werden können. Hierdurch
ergibt sich eine dramatische Verringerung der Stillstandszeit, wenn
sich die Werkzeuganwendungen verändern.
Wie weiter unten ausführlicher
besprochen wird, wird die Standardisierung durch Einbauen eines
internen Positionscodierers 78 in einem Standardzylinder
und Bereitstellen einer Unter-Steuerungsvorrichtung 88 erzielt,
um eine kontinuierliche Positionssteuerung mit geschlossener Schleife
bzw. mit Rückkopplung
zu erzeugen.
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Kontinuierliche
Positionierungssteuerung mit geschlossener Schleife bzw. Rückkopplung
bedeutet, daß die
tatsächliche
Position der Schweißspitze 30 durch
den internen Positionscodierer 78 kontinuierlich überwacht
wird, und diese Information wird zur Unter-Steuerungsvorrichtung 88 gesendet,
wo sie mit Eingabeinformation verglichen wird, die einer gewünschten
Schweißspitzen-Position
enspricht. Die Position der Schweißspitze 30 wird dann
auf der Grundlage des Vergleichs der tatsächlichen Positon und der Eingabeinformation
durch die Unter-Steuerungsvorrichtung 88 automatisch eingestellt.
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2 veranschaulicht
einen Querschnitt des Pneumatikzylinders 16 entlang der
Linie 2-2 in 1. Der Pneumatikzylinder 16 enthält im allgemeinen
ein zylindrisches Gehäuse 56,
Lagerkappen 58 und 60, einen Kolben 62 und
eine Kolbenstange 64. Die Lagerkappen 58 und 60 sind
an den Enden des zylindrischen Gehäuses 56 befestigt,
um dadurch eine Kolbenkammer 66 darin zu bilden. Die Lagerkappen 58 und 60 enthalten
Anschlüsse 67 zur
Verbindung mit einer Druckluftquelle durch ein Proportional-Steuerungsventil 68 und einen
Proportional-Druckregler 69, die in 1 gezeigt
sind. Der Proportional-Druckregler 69 überwacht und steuert Druckluft,
die zu dem Proportional-Steuerungsventil 68 durch die Pneumatikleitungen 71 wandert,
wie weiter unten ausführlich
beschrieben wird. Die vordere Lagerkappe 58 enthält außerdem eine
mittige Bohrung 70, durch die sich die Kolbenstange 64 bewegen
kann. Der Kolben 62 ist an der Kolbenstange 64 befestigt
und bildet eine luftdichte Abdichtung gegenüber dem Inneren des Zylindergehäuses 56,
so daß beim
Zuführen
von Druckluft durch einen der Anschlüsse 67 einer der Lagerkappen
sich der Kolben in einer von dem zugeführten Druck weggewandten Richtung
bewegt, wodurch die Kolbenstange 64 in einer axialen Richtung
bewegt wird. Die Standardbohrung für die innere Kammer 66 ist
eine 125 mm-Bohrung,
und der Hub der Kolbenstange 64 ist 185 mm.
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Innerhalb
der mittigen Bohrung 70 der vorderen Lagerkappe 58 ist
ein metallischer Schaberring 72 befestigt, der zwischen
einem Schnappring 73 und einem Lager 74 an seinem
Ort gehalten wird. Der Schaberring 72 hat einen Innendurchmesser,
der so bemessen ist, daß der
Schaberring mit dem Umfangsrand der Kolbenstange 64 innig
in Berührung
ist. Wenn sich die Kolbenstange 64 bewegt, entfernt der
Schaberring somit jegliche Schweißschlacke, die sich an der
Kolbenstange anhäufen
kann, wodurch verhindert wird, daß derartige zerriebene Ablagerungen
in die innere Kammer 66 des Pneumatikzylinders 14 eindringen.
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Der
Pneumatikzylinder 14 ist mit einer gehärteten und mit C45-Chrom beschichteten
Kolbenstange 64 ausgestattet, die entlang ihrer Mittenlinie
zur Bildung einer axialen Bohrung 76 darin angebohrt wurde.
Die axiale Bohrung 76 ist bemessen, daß sie den inneren Positonscodierer 78 aufnimmt.
Die Kolbenstange 64 enthält weiterhin einen Verriegelungsring 80,
der an ihrem äußeren Ende
befestigt ist, um die Anbringung des beweglichen Arms 50,
des beweglichen Schaftabschnitts 28 und der Schweißspitze 30 daran
zu erleichtern.
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Der
innere Positionscodierer 78 ist vorzugsweise ein lineares
Potentiometer, das an einem Ende mit der hinteren Lagerkappe 60 mit
Edelstahl-Nylon-Verriegelungsmuttern 81 befestigt ist.
Das lineare Potentiometer 78 enthält außerdem eine an dem äußeren Ende
der Kolbenstange 64 befestigte Sonde 82. Ein geeignetes
lineares Potentiometer für
die Verwendung mit der Schweißzange
der vorliegenden Erfindung trägt
die Teile-Nummer 04LF8258 Markenbezeichnung und wird von der Betatronics
Inc. in Hauppauge, New York hergestellt. 2 zeigt
ein Verfahren zum Befestigen der Kolbensonde 82 an der
Kolbenstange 64. Eine Schraube 83 mit einem inneren
axialen Gewinde 84 ist in die Endfläche des äußeren Endes der Kolbenstange 64 eingeschraubt.
Die Sonde 82 wird dann in das innere Gewinde der Schraube
geschraubt, wodurch die Sonde an der Kolbenstange befestigt wird.
Das Potentiometer 78 hat einen Arbeitshub von 10 Zoll (254
mm), wovon nur 7,28 Zoll (185 mm) verwendet werden. Wenn die Kolbenstange 64 vollständig eingezogen
ist, hat das Potentiometer einen Totbereich von 1,35 Zoll (34 mm),
was genauso ist, als ob sie vollständig ausgefahren wäre. Das
lineare Potentiometer 78 arbeitet auf eine bekannte Art
und Weise, wobei die Aus legung der Sonde 82 genau gemessen
werden kann. Folglich können
die Position und die Bewegung der Kolbenstange 64 genau überwacht
werden.
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Ein
Elektro-Verschlußkasten 85 ist
mit der hinteren Lagerkappe 60 verbunden, um die Potentiometerverdrahtung
aufzunehmen. Der Elektro-Verschlußkasten 85 enthält außerdem elektrische
Verbindungsglieder 86, um die elektrische Verbindung zwischen
dem linearen Potentiometer 78 und einer Unter-Steuerungsvorrichtung 88 zu
erleichtern. Die Unter-Steuerungsvorrichtung 88 ist
die Schnittstelle zwischen der Schweißzange 10 und einer
Haupt-Steuerungsvorrichtung (nicht gezeigt). Die Unter-Steuerungsvorrichtung 88 ist
im wesentlichen ein Mikroprozessor, der Signale von der Codiervorrichtung 70,
dem Proportional-Druckregler 69 und dem Ausgleichs-Druckregler 25 empfängt und
diese Signale mit Signalen vergleicht, die von der Haupt-Steuerungsvorrichtung
empfangen werden. Das Proportional-Steuerungsventil 68, der Proportional-Druckregler 69,
das Ausgleichs-Steuerungsventil 24 und der Ausgleichs-Druckregler 25 sind
allesamt durch Leitungen 89 mit der Unter-Steuerungsvorrichtung 88 elektrisch
verbunden.
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Die
Schweißzange 10 arbeitet
im allgemeinen auf die folgende Art und Weise. Wenn die Schweißspitzen 30 und 36 in
einer vollständig
offenen Stellung sind, positioniert ein Roboterarm die Schweißzange so,
daß sich
das Metall-Werkstück
zwichen den Schweißspitzen
befindet. Die Ausgleichsanordnung 20 wird aktiviert, um
die Ausgleichs-Kolbenstange 23 einzuziehen und die Schweißspitze 36 zu
dem Werkstück
hin zu bewegen, bis es zu einem Kontakt kommt. So stützt man
das Werkstück
während
des Schweißens
ab und verhindert eine Beschädigung
des Pneumatikzylinders 16. Sobald das Werkstück abgestützt ist,
wird der Pneumatikzylinder 16 akti viert, um die Schweißspitze 30 zu
dem Werkstück
hin zu bewegen. Sobald die Schweißspitze 30 das Werkstück kontaktiert,
erzeugt der Transformator 19 einen gewünschten Strom zwischen den
Schweißspitzen 30 und 36.
Der Strom tritt durch das Metall-Werkstück hindurch, wodurch das Metall
geschmolzen wird und eine Verschweißung erzeugt wird. Wenn die
Verschweißung
abgeschlossen ist, zieht der Pneumatikzylinder 16 die Schweißspitze 30 zu
einer Mittelpunkt-Position
zurück,
und das Werkstück
und/oder die Kanone wird an einen neuen Ort bewegt, woraufhin sich
der Zyklus wiederholt.
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Wie
oben erwähnt,
wird durch Einziehen der Schweißspitze 30 zu
einer Mittelpunkt-Position anstatt zu einer vollständig eingezogenen
Position die Zykluszeit zwischen den Verschweißungen stark verringert. Durch den
Einbau eines internen Positioniercodierers 78 und einer
Unter-Steuerungsvorrichtung 88 ermöglicht die vorliegende
Erfindung die Programmierung jeder beliebigen Mittelpunkt-Position durch die
Haupt-Steuerungsvorrichtung. Zusätzlich
werden andere Eigenschaften, wie z. B. eine Spitzenabnutzungs-Kompensation,
eine Spitzendämpfung
und eine genaue Kalibrierung erreicht, wie weiter unten ausführlich beschrieben
wird.
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Die
Haupt-Steuerungsvorrichtung koordiniert die gesamte Bewegung, die
Drucksteuerung sowie die Sequenzierung für den Schweißzangen-Roboterarm
auf der Grundlage ihres eigenen internen Programms und der Rückkopplung
von der Unter-Steuerungsvorrichtung 88.
Dies wird erreicht durch die Übertragung
von Bitsequenzen zwischen der Haupt-Steuerungsvorrichtung und der Unter-Steuerungsvorrichtung 88.
Die Haupt-Steuerungsvorrichtung und die Unter-Steuerungsvorrichtung kommunizieren
miteinander durch ein standardmäßiges Kommunikationsprotokoll,
das als DeviceNet bezeichnet wird. Die folgende Tabelle ist eine Bitkarte,
welche die Eingaben der Haupt-Steuerungsvorrichtung von der Unter-Steuerungsvorrichtung
und die Ausgaben der Haupt-Steuerungsvorrichtung
zu der Unter-Steuerungsvorrichtung zeigt.
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Tabelle 1
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Bit-Karte
-
Eingaben
-
- Nxx:i01 – System
EIN/System OK
- Nxx:i02 – Position
erreicht
- Nxx:i03 – Positioniert
für Verschweißung (Stapelung
OK)
- Nxx:i04 – Positions-Überbewegung
(gezogene Kappe)
- Nxx:i05 – Ausgleichsdruck
erzielt
- Nxx:i06 – Schweißdruck erzielt
- Nxx:i07 – System
kalibriert
-
Ausgaben
-
- Nxx:o01 – Kanonenspitzen-Schließtakt
- Nxx:o02 – Kalibriere
Schweißspitze
- Nxx:o03 – Kanonen-Vorwärts-/Rückwärts-Takt
- Nxx:o04 – Vorwärts-/Rückwärts-Position
Bit 1
- Nxx:o05 – Vorwärts-/Rückwärts-Position
Bit 2
- Nxx:o06 – Vorwärts-/Rückwärts-Position
Bit 3
- Nxx:o07 – Vorwärts-/Rückwärts-Position
Bit 4
- Nxx:o08 – Spitzenschließ- und Schweißposition
Bit 1
- Nxx:o09 – Spitzenschließ- und Schweißposition
Bit 2
- Nxx:o10 – Spitzenschließ- und Schweißposition
Bit 3
- Nxx:o11 – Spitzenschließ- und Schweißposition
Bit 4
- Nxx:o12 – Schweißdruck Bit
1
- Nxx:o13 – Schweißdruck Bit
2
- Nxx:o15 – Schweißdruck Bit
3
- Nxx:o16 – Schweißdruck Bit
4
- Nxx:o17 – Spitze
bewegen (+)
- Nxx:o18 – Spitze
bewegen (–)
- Nxx:o19 – Ausgleichsdruck
Bit 1
- Nxx:o20 – Ausgleichsdruck
Bit 2
- Nxx:o21 – Ausgleichsdruck
Bit 3
- Nxx:o22 – Ausgleichsdruck
Bit 4
-
Die
Haupt-Steuerungsvorrichtung steuert die Schweißzange durch Manipulieren einer
Sequenz von binären
Bits. Die Bits 1 bis 4 werden manipuliert, um verschiedene Betriebsparameter
in Abhängigkeit
von der Ausgabeadresse der Haupt-Steuerungsvorrichtung
zu erstellen. Das Bit 5 ist ein Takt-Bit, das den ausgeführten Befehl trägt bzw.
mitführt.
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Ein "Ein"-Bit von der Haupt-Steuerungsvorrichtung-Ausgabe
Nxx:o12 schaltet das Schweißzangensystem
ein. Die Haupt-Steuerungsvorrichtung-Ausgaben
Nxx:o04–07
steuern die Mittelpunkt-Position der Pneumatikzylinder-Kolbenstange
64 auf
der Grundlage einer Rückkopplung
von dem internen Codierer
78. Die Kolbenstange
64 hat
einen möglichen
Hub von 150 mm für
Positionierzwecke. Die Vorwärts-/Rückwärts-Positionsadressen
Nxx:o04–07
stellen 0 mm–150
mm in 10 mm-Inkrementen gemäß der in
Tabelle 2 gezeigten folgenden Bitsequenz dar. Tabelle 2 Vorschub-/Einzug-Positionstabelle
Bit
1 Nxx:o04 | Bit
2 Nxx:o05 | Bit
3 Nxx:o06 | Bit
4 Nxx:o07 | Meßposition |
0 | 0 | 0 | 0 | 0
mm geschlossen |
0 | 0 | 0 | 1 | 10
mm |
0 | 0 | 1 | 0 | 20
mm |
0 | 0 | 1 | 1 | 30
mm |
0 | 1 | 0 | 0 | 40
mm |
0 | 1 | 0 | 1 | 50
mm |
0 | 1 | 1 | 0 | 60
mm |
0 | 1 | 1 | 1 | 70
mm |
1 | 0 | 0 | 0 | 80
mm |
1 | 0 | 0 | 1 | 90
mm |
1 | 0 | 1 | 0 | 100
mm |
1 | 0 | 1 | 1 | 110
mm |
1 | 1 | 0 | 0 | 120
mm |
1 | 1 | 0 | 1 | 130
mm |
1 | 1 | 1 | 0 | 140
mm |
1 | 1 | 1 | 1 | 150
mm |
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Die
Ausgabe Nxx:o03 "Ein" positioniert die
Kolbenstange 64 an einem Ort gemäß der Bestimmung durch die
Bitsequenz von Nxx:o04–07
und relativ zu der letzten Operation in der Kalibrierungsausgabe Nxx:o02.
Dies wiederum kann nicht erzielt werden ohne eine positive Rückkopplung
mittels geschlossener Schleife von der internen Positionierungs-Codiervorrichtung 78,
die Signale zu der Unter-Steuerungsvorrichtung 88 zurücksendet
für einen
Vergleich mit den Ausgaben von der Haupt-Steuerungsvorrichtung.
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Die
Haupt-Steuerungsvorrichtung-Ausgaben Nxx:o08–11 verwenden ebenfalls eine
4-Bitsequenz, um die Schweißzange
bis auf einen gewünschten
Spalt zwischen den Schweißspitzen
30 und
36 zu
schließen. Diese
Bitsequenz gestattet eine automatische Kalibrierung und eine Spitzen- Dämpfungseigenschaft. Durch Manipulieren
der Bitsequenz können
die Schweißspitzen
vor dem Schweißen
bei einer "Spitze-geschlossen"-Position zu einem äußerlichen
Spalt positioniert werden mit der in Tabelle 3 gezeigten folgenden
Bitsequenz. Tabelle 3 Spitzenschließ- und Schweißpositionstabelle
Bit
1 Nxx:o08 | Bit
2 Nxx:o09 | Bit
3 Nxx:o10 | Bit
4 Nxx:o11 | Hubposition |
0 | 0 | 0 | 0 | 0
mm |
0 | 0 | 0 | 1 | 1
mm |
0 | 0 | 1 | 0 | 2
mm |
0 | 0 | 1 | 1 | 3
mm |
0 | 1 | 0 | 0 | 4
mm |
0 | 1 | 0 | 1 | 5
mm |
0 | 1 | 1 | 0 | 6
mm |
0 | 1 | 1 | 1 | 7
mm |
1 | 0 | 0 | 0 | 8
mm |
1 | 0 | 0 | 1 | 9
mm |
1 | 0 | 1 | 0 | 10
mm |
1 | 0 | 1 | 1 | 11
mm |
1 | 1 | 0 | 0 | 12
mm |
1 | 1 | 0 | 1 | 13
mm |
1 | 1 | 1 | 0 | 14
mm |
1 | 1 | 1 | 1 | 15
mm |
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Die
in Tabelle 3 aufgeführten
Hubpositionen sind relativ zum Ort der "Spitze-geschlossen"-Position und müssen vor dem Betrieb kalibriert
werden. Die Schweißspitze
hat einen relativen Hub von 15 mm für Schweißzwecke, wobei die Spitzegeschlossen-Position-Bits
Nxx:o08–11
10 mm–15
mm in 1 mm-Inkrementen darstellen.
Die Ausgabe Nxx:o01 "Ein" positioniert die
Schweißspitze
an einem Ort, der durch die Bitsequenz Nxx:o08–11 und relativ zu der letzten
Operation des Kalibrierungsbits Nxx:o02 bestimmt ist.
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Eine
dritte 4-Bit-Sequenz, die den Ausgaben Nxx:o13–16 entspricht, wird verwendet,
um den an den Spitzen
30 und
36 angelegten Schweißdruck zu
manipulieren, und eine vierte 4-Bit-Sequenz,
die den Ausgaben Nxx:o19–22
entspricht, wird verwendet, um den Ausgleichsdruck zu manipulieren.
Der Schweißspitzen-Druck
hat einen Bereich von 90 psi mit einer Bitauflösung von opsi, die durch Sequenzieren
der Bits entsprechend den Ausgaben Nxx:o13–16 eingestellt wird. Der Ausgleichsanordnung-Druck
hat ebenfalls einen Bereich von 90 psi und einer Auflösung von
6 psi pro Bit, die durch Sequenzieren der Bits von dem Haupt-Steuerungsvorrichtungs-Ausgaben Nxx:o19–22 eingestellt
wird. Tabelle 4 zeigt die Bitsequenz zum Einstellen sowohl des Schweißspitzen-Drucks
als auch des Ausgleichsdrucks. Tabelle 4 Schweiß- und Ausgleichsdruck-Werttabelle
Bit
1 Nxx:o13 Nxx:o19 | Bit
2 Nxx:o14 Nxx:o20 | Bit
3 Nxx:o15 Nxx:o21 | Bit
4 Nxx:o16 Nxx:o22 | Druck
Schweißung Ausgleichsvorrichtung |
0 | 0 | 0 | 0 | 0
psi |
0 | 0 | 0 | 1 | 6
psi |
0 | 0 | 1 | 0 | 12
psi |
0 | 0 | 1 | 1 | 18
psi |
0 | 1 | 0 | 0 | 24
psi |
0 | 1 | 0 | 1 | 30
psi |
0 | 1 | 1 | 0 | 36
psi |
0 | 1 | 1 | 1 | 42
psi |
1 | 0 | 0 | 0 | 48
psi |
1 | 0 | 0 | 1 | 54
psi |
1 | 0 | 1 | 0 | 60
psi |
1 | 0 | 1 | 1 | 66
psi |
1 | 1 | 0 | 0 | 72
psi |
1 | 1 | 0 | 1 | 78
psi |
1 | 1 | 1 | 0 | 84
psi |
1 | 1 | 1 | 1 | 90
psi |
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Die
Haupt-Steuerungsvorrichtungs-Eingaben Nxx:i05 und Nxx:i06 "Ein" werden verwendet,
um die Druckausgabe des Proportional-Druckreglers 69 anzuzeigen,
oder der Ausgleichs-Druckregler 25 befindet sich innerhalb
einer +/–2%-Genauigkeit des beabsichtigten
Drucks, der durch die Bitsequenz Nxx:o13–16 oder Nxx:o19–22 bestimmt
wird. Der Schweißdruck-Befehl
wird nur dann tätig,
wenn die Spitze geschlossen- und die Schweißposition ausgeführt wird.
Die Haupt-Steuerungsvorrichtung hat eine vollständige Kontrolle für den Ausgleichsdruck
und muß je
nach der Kanonenausrichtung notwendige Druckwerte ändern.
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Die
Haupt-Steuerungsvorrichtung-Ausgaben Nxx:o17 und Nxx:o18 werden
verwendet, um die Schweißzange
manuell zu betätigen.
Die Ausgabe Nxx:o17 läßt den Zylinder
zu einer Spitze-geschlossen-Position wandern, und die Ausgabe Nxx:o18
läßt den Zylinder
zu einer Spitze-offen-Position wandern. Diese Eigenschaften ermöglichen
das manuelle Ausfahren und Einfahren von der Haupt-Steuerungsvorrichtung.
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Die
Haupt-Steuerungsvorrichtungs-Eingaben Nxx:i01–07 empfangen Signale von Unter-Steuerungsvorrichtung 88,
die verschiedene Betriebsparameter der Schweißzangen anzeigen. Die Eingabe
Nxx:i01 "Ein" zeigt der Haupt-Steuerungsvorrichtung
an, daß das
System eingeschaltet ist und kein fehlerhafter Zustand vorliegt.
Die Eingabe Nxx:i02 "Ein" zeigt an, daß eine Vorschub/Einzug-Position
erreicht worden ist. Die Eingabe Nxx:iO3 "Ein" zeigt
an, daß der
Schweißstapel
innerhalb der zusätzlichen
Toleranz liegt, während "Aus" anzeigt, daß der Stapel
zu dick ist oder irgendetwas innerhalb des Weges der Schweißspitze
stört.
Die Eingabe Nxx:iO4 "Ein" zeigt der Haupt-Steuerungsvorrichtung
die Positon über
dem Weg oder einen Zustand der "gezogenen
Kappe" an.
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Die
Eingabe Nxx:i05 "Ein" zeigt an, daß der angewiesene
Schweißdruck
erreicht ist, der durch die Ausgaben Nxx:o13–16 ausgewählt wird. Die Eingabe Nxx:o06 "Ein" zeigt an, daß der angewiesene
Ausgleichsdruck erzielt worden ist, der durch die Ausgaben Nxx:o19.
22 ausgewählt
wurde. Schließlich
zeigt die Eingabe Nxx:i07 "Ein" an, daß sich das
System im Kalibrierungsmodus befindet, während "Aus" anzeigt,
daß die
Kalibrierung abgeschlossen ist und der Normalbetrieb erneut beginnen
kann.
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Nachdem
die Initialisierung und Kalibrierung abgeschlossen ist, läßt sich
der Betrieb des Schweißzangensystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung durch die folgenden Schritte darstellen:
- 1. Einstellen der Bits Nxx:o04–Nxx:o07 für eine beabsichtigte Position.
- 2. Halten des Bits Nxx:o03 auf einem hohen Wert, um zu der Position
auszufahren.
- 3. Einstellen der Bits Nxx:o13–Nxx:o16 für den gewünschten Druck.
- 4. Einstellen der Bits Nxx:o08–Nxx:o11 für die gewünschte Metalldicke.
- 5. Halten des Bits Nxx:o01 auf einem hohen Wert, um das Schweißen durchzuführen.
- 6. Prüfen
des Bits Nxx:iO3 für "Positioniert zum
Schweißen".
- 7. Prüfen
des Bits Nxx:i06 für
erreichten Schweißdruck.
- 8. Prüfen
des Bits Nxx:iO4, ob es bei abgezogener Kappe nicht an ist.
- 9. Durchführen
der Schweißung
mit gesteuerter Schweißung.
- 10. Fallenlassen des Bits Nxx:o01, um zu dem Ort zurückzukehren,
der durch die Bits Nxx:o04–Nxx:o07 sequenziert
wird und durch Nxx:o03 eingestellt ist.
- 11. Fallenlassen des Bits Nxx:o03.
- 12. Einstellen der neuen Rückfahrort-Schritte
1 bis 2.
- 13. Einstellen des neuen Schweißdruck-Schrittes 3.
- 14. Aussendendes neue-Dicke-Schrittes 4.
- 15. Ausführen
der Schweißsequenz-Schritte
5 bis 9.
- 16. Ausführen
des Einzieh-Schrittes 10 bis 11.
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Für den Fachmann
ist es selbstverständlich,
daß die
oben vorgestellten Tabellen lediglich der Veranschaulichung dienen.
Natürlich
kann je nach den Auslegungsparametern das Steuerungsprogramm modifiziert werden,
um einem gewünschten
Bedarf gerecht zu werden.
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Der
Pneumatikzylinder 14 ist daher mit einer Positions-Steuerungsvorrichtung
ausgestattet, die ein Proportional- Steuerungsventil ansteuert,
das mit einem oder beiden der Anschlüsse 68 der Lagerkappen 58 und 60 verbunden
ist, um eine rückgekoppelte
Positionierungssteuerung bzw. eine Positionierungsteuerung mit geschlossener
Schleife für
die Kolbenstange 64 zu erzeugen. Dieses System ist ausgestattet
mit einer frei programmierbaren rückgekoppelten Positions- und Drucksteuerung
aufgrund des internen Positionierungscodierers 78 und der
Unter-Steuerungsvorrichtung 88. Außerdem lernt das Positionierungssystem
und kompensiert jegliche Zylinderabnutzung über die Zeit hinweg und ermöglicht eine
Spitzendämpfungs-Eigenschaft.